В морской отрасли , особенно в сегменте судостроения, выбор материалов имеет решающее значение. В то время как в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, минимальный вес и высокая термостойкость являются первостепенными приоритетами, в морском секторе наиболее важными свойствами материалов являются коррозионная стойкость и долговечность. Это вполне логично: компоненты судна должны выдерживать суровые условия морской среды, включая коррозионное воздействие морской воды, а также обладать структурной целостностью и длительным сроком службы.

По этим причинам морская промышленность отдала предпочтение относительно небольшому набору типов металлов, включая сталь (например, корпуса судов изготавливаются из стали), алюминий (используется для надстроек и неконструкционных компонентов для максимальной топливной эффективности), инконель (используется для лопастей гребных винтов и скрубберов) и другие суперсплавы. В растущем сегменте аддитивного производства в морской отрасли небольшое количество конкретных типов сплавов вышло на первое место, и главными среди них являются медно-никелевые сплавы (CuNi).

Сплавы CuNi уже хорошо зарекомендовали себя в морской промышленности. Эти металлы, известные своей превосходной коррозионной стойкостью и низким уровнем обрастания, находят различное применение в шельфовой, военно-морской и судостроительной отраслях, включая системы опреснения, трубопроводы, теплообменники, конденсаторы и многое другое. Хотя большинство деталей из сплава CuNi в морской промышленности изготавливаются более традиционными методами, такими как литье, аддитивное производство все чаще становится жизнеспособным вариантом, поскольку компании в отрасли аддитивного производства разрабатывают и тестируют сплавы CuNi для различных процессов 3D-печати металлами. Это особенно важно, учитывая, что литые сплавы CuNi могут страдать от таких проблем, как трещины и пористость, что требует доработки, в конечном итоге увеличивая затраты и сроки выполнения заказа.

Возможность аддитивного производства деталей из сплава CuNi открывает перед судостроительными и военно-морскими организациями ряд преимуществ, включая ускорение производственных процессов (исключение необходимости в оснастке), снижение зависимости от больших складских запасов, упрощение цепочек поставок и производство компонентов с более эффективной конструкцией. Кроме того, аддитивное производство способствует внедрению более устойчивых методов за счет минимизации отходов материалов и локализации производства, что снижает выбросы, связанные с логистикой. Такие технологии, как направленное энергетическое осаждение (DED), также позволяют аддитивно ремонтировать существующие компоненты, что имеет преимущества с точки зрения экологичности (продление срока службы крупных деталей) и стоимости. 

В настоящее время в индустрии аддитивного производства лишь небольшое количество компаний предлагает материалы на основе медно-никелевых сплавов. Однако стоит отметить, что, несмотря на свою небольшую численность, эта группа растет: за последний год были выпущены и протестированы новые продукты из сплава CuNi. Этот недавний рост лишь подтверждает, что индустрия аддитивного производства металлов осознает большой потенциал морской отрасли как страны, активно внедряющей аддитивные технологии. 

Первый сплав CuNi , разработанный специально для аддитивного производства в морской отрасли, был представлен в 2022 году компанией 3D Systems . Материал CuNi30 был разработан для платформы DMP Flex 350 в сотрудничестве с подразделением HII Newport News Shipbuilding. Сообщается, что этот материал позволяет получать детали с превосходной плотностью и механическими свойствами по сравнению с литыми деталями — и все это без необходимости использования оснастки — и демонстрирует стабильность в широком диапазоне температур (от 400 °C до -270 °C). Эти свойства делают CuNi30 подходящим для целого ряда морских (и смежных) применений, таких как судовые фитинги, клапаны и насосы; компоненты для морской нефтегазовой отрасли; химическое и ядерное оборудование; и даже криогенные системы.

Внедрение этого материала позволило компании Newport News Shipbuilding использовать преимущества технологии LPBF для производства мелкосерийных деталей с широким ассортиментом. На момент запуска материала конечный пользователь ожидал значительного сокращения сроков поставки на 75% и снижения складских затрат по сравнению с традиционными методами литья.

После выпуска сертифицированного компанией 3D Systems порошка CuNi30, немецкий лидер в области 3D-печати EOS также разработал собственный порошок CuNi30 для LBPF , содержащий 28–32% никеля, а также небольшие количества ниобия, железа и марганца. Медно-никелевый сплав, поступивший в коммерческую продажу в начале 2024 года, обладает рядом свойств, подходящих для применения в морской отрасли, таких как превосходная прочность до 700 МПа в термообработанных горизонтальных конструкциях и пластичность с пределом прочности на разрыв около 510 МПа и удлинением более 20%. 

Сплав был разработан и протестирован в сотрудничестве с Philips Federal и Austal USA для подводной промышленной базы (SIB). В частности, компания EOS разработала этот материал с целью «снижения нагрузки на цепочку поставок» традиционных литых компонентов для подводных лодок классов Columbia и Virginia (2+1) ВМС США. Материал, изготовленный методом аддитивного производства, соответствует спецификациям UNS C96400 в ASTM B369-09 и обеспечивает тот же уровень коррозионной стойкости, что и литые компоненты из сплава CuNi, но без проблем, связанных с производством. С точки зрения применения, сплав CuNi30 от EOS идеально подходит для широкого спектра морских компонентов, включая насосы, рабочие колеса, клапаны забора морской воды для подводных лодок, трубопроводы высокого давления и силовое оборудование.

В 2024 году компания ADDMAN Group через свое подразделение Harbec заключила партнерское соглашение с ВМС США для сертификации медно-никелевых компонентов для подводных лодок. Цель этой сертификации – утвердить аддитивное производство (АМ) в качестве жизнеспособного метода изготовления медно-никелевых деталей, чтобы ускорить циклы закупок и улучшить общее качество деталей. В частности, для ВМС США 3D-печать медно-никелевых компонентов может позволить достичь целевых показателей производства подводных лодок по схеме «2+1».  

За последние пять месяцев появилось как минимум три новых проекта по сертификации медно-никелевых сплавов для аддитивного производства с целью расширения применения аддитивных технологий в морской и оборонной (в частности, военно-морской) отраслях. Австралийская компания AML3D , специализирующаяся на аддитивном производстве проволоки (WAM), объявила в мае о подписании контракта на сумму 1,01 миллиона долларов с BlueForge Alliance, некоммерческой организацией-интегратором, поддерживающей подводную промышленную базу ВМС США, на разработку и сертификацию сплавов CuNi для оборонных применений. Это стало результатом успешной сертификации сплава CuNi в 2023 году, которая являлась частью программы сертификации подводных лодок ВМС США.

В том же месяце британская компания Renishaw , специализирующаяся на аддитивном производстве металлов , сообщила о сотрудничестве с австрийским производителем металлических порошков Metalpine для разработки и сертификации порошков CuNi , которые позволят «крупным европейским военно-морским силам» производить запасные части собственными силами. В частности, партнеры разработали параметры процесса для CuNi 10 (состоящего из 90% меди и 10% никеля) и CuNi 30 (70% меди, 30% никеля). 

«Благодаря этим точным настройкам мы преодолели проблемы, связанные с материалом, обеспечив высокое качество и долговечность деталей, способных выдерживать суровые условия морской среды», — сказал Алекс Гарсия, инженер по проектированию и применению аддитивных технологий в компании Renishaw. «Эта оптимизация повышает прочность и долговечность деталей, а также обеспечивает стабильные результаты, позволяя нашему заказчику из военно-морского флота производить детали, которые надежно работают в сложных условиях». 

Недавно американская компания Velo3D , специализирующаяся на аддитивном производстве металлов , объявила о разработке и сертификации сплава CuNi для своей серии 3D-принтеров Sapphire . Разработка, оформленная в рамках контракта на сумму 6 миллионов долларов, будет поддерживать морскую промышленную базу ВМС США в ремонте критически важных корабельных конструкций и компонентов. Примечательно, что Velo3D заявляет, что этот контракт сделает ее первым американским производителем оригинального оборудования, сертифицировавшим сплав CuNi для своих 3D-принтеров отечественной разработки, включая крупноформатный 3D-принтер Sapphire XC. 

Процесс разработки CuNi возглавляет команда Velo3D в городе Фримонт, штат Калифорния, которая разработает параметры процесса для порошка, поставляемого отечественным поставщиком металлических порошков с открытым исходным кодом (это необходимое условие для сохранения независимости цепочки поставок для ВМС США).

В конечном итоге, разработка сплавов CuNi для процессов и платформ аддитивного производства принесет пользу конечным пользователям из морского и военно-морского секторов, поскольку они смогут использовать не только преимущества этого материала, но и присущие аддитивному производству преимущества, включая свободу проектирования, оперативность производства и эффективность использования материалов.

Источник